理学療法科学 25(4): ,2010 原著 最大吸気圧測定の反復に伴う呼吸筋活動の変化 Changes in Respiratory Muscle Activity during Repeated Measurements of Maximal Inspiratory Pressure

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1 理学療法科学 25(4): ,2010 原著 最大吸気圧測定の反復に伴う呼吸筋活動の変化 Changes in Respiratory Muscle Activity during Repeated Measurements of Maximal Inspiratory Pressure 金子秀雄 永井良治 吉住浩平 HIDEO KANEKO, YOSHIHARU NAGAI, KOHEI YOSHIZUMI Department of Physical Therapy, Fukuoka School of Rehabilitation Sciences, International University of Health and Welfare: Enokizu, Okawa-shi, Fukuoka , Japan. TEL Rigakuryoho Kagaku 25(4): , Submitted Jan. 18, Accepted Feb. 16, ABSTRACT: [Purpose] The purpose of this study was to clarify changes in diaphragm activity and abdominal muscle activity during repeated measurements of maximal inspiratory pressure (PImax) that lead to an increase in PImax. [Methods] Eleven healthy male subjects underwent 20 PImax and 3 maximal expirator pressure (PEmax) measurements. Electromyography of the diaphragm and abdominal muscles (rectus abdominis, external oblique, internal oblique) were recorded by surface EMG during PImax and PEmax measurement. Short PImax (average of the first 3 highest values with <5% variability) and long PImax (average of the 3 highest values with <5% variability from all recorded measurement) were determined, and these PImax and the root-mean-square (RMS) amplitude of each muscle were compared. [Results] Compared to short PImax period, the long PImax and diaphragm RMS amplitude in the long PImax period were significantly increased. The RMS amplitude of abdominal muscles showed no significant increases, but the coefficient of variation of the internal oblique muscle RMS amplitude decreased. There was a significant negative correlation between the percentage of the RMS amplitude relative to PEmax in the short PImax period and the ratio of changes in RMS amplitudes for long PImax and short PImax. [Conclusion] The results suggest that increased PImax during repeated measurement is derived from not only an increase of diaphragm recruitment but also control of internal oblique muscle recruitment. Key words: maximal inspiratory pressure, respiratory muscle, electromyography 要旨 : 目的 本研究の目的は, 反復測定による最大吸気圧 (PImax) 増大に伴う横隔膜と腹筋群の筋活動変化を明らかにすることとした 方法 健常男性 11 名を対象に20 回のPImax と3 回の最大呼気圧 (PEmax) 測定を行い, そのときの横隔膜と腹筋群 ( 腹直筋, 外腹斜筋, 内腹斜筋 ) の筋活動を表面筋電図にて記録した short PImax( 最初の5% 変動内最高値の3 回平均 ) とlong PImax( すべての測定の5% 変動内最高値の3 回平均 ) を定義し, それぞれの PImax と各筋の筋電図の実効値を比較した 結果 short PImax に比べlong PImax が有意な増大に伴い横隔膜の実効値も有意に増大した 腹筋群に有意差はなかったが, 内腹斜筋実効値の変動係数は明らかに減少し,short PImax 法の実効値 (PEmax 時の実効値に対する割合 ) と実効値変化率 (long PImax 法 /short PImax 法 ) の間に有意な負の相関を認めた 結語 反復測定による PImax 増大には, 横隔膜の筋活動増大だけでなく内腹斜筋の筋活動制御も関与している可能性が示唆された キーワード : 最大吸気圧, 呼吸筋, 表面筋電図 国際医療福祉大学福岡リハビリテーション学部理学療法学科 : 福岡県大川市榎津 137-1( TEL 受付日 2010 年 1 月 18 日受理日 2010 年 2 月 16 日

2 488 理学療法科学第 25 巻 4 号 I. はじめに最大吸気圧 (PImax) は呼吸筋力の臨床評価指標として利用されている しかし, 最大吸気努力は, 日常的に繰り返されることの少ない努力依存性の課題であることから過小評価されやすい 一般に PImax の測定には3 回の試行回数が推奨されているが 2), 試行回数を多くすることで PImax は増大する 3-5) そのため, 再現性を高めるには十分な説明と練習が必要となる 近年は, 測定前に吸気抵抗負荷を利用したウォームアップを実施することで, 再現性を高められることが報告されている 6) しかし,PImax が増大するメカニズムに関しては, 不明な点もあり検討の余地が残されている PImax が増大するメカニズムには, 学習効果 5), 末梢興奮性の増大 7), 活動中の吸気筋間の相乗作用 8,9) が考えられている しかし, 学習効果については, 吸気抵抗負荷によるウォームアップだけで反復測定と同等の PImax 増大が得られることから否定的である 6,8,9) Hawkes ら 9) は, ウォームアップ前後におけるPImax 時の横隔膜と肋間筋の筋活動を測定したところ, それぞれの筋活動がともに増大したことから吸気筋間の相乗作用が高められたと考察している だが,PImax 測定時には呼気筋である腹筋群においても筋活動が認められており 10), さらには最大吸気努力に呼出努力を組み合わせることで横隔膜活動が増加すること 1 が報告されている このように最大吸気努力時には吸気筋だけでなく腹筋群も関与することが示されている それゆえ, 反復測定やウォームアップによる PImax 増大のメカニズムには吸気筋だけでなく, 腹筋群も関連している可能性が考えられる 横隔膜の拮抗筋である腹筋群の動員は吸気作用の妨げとなるが, その一方で横隔膜の起始部となる肋骨部は固定され, 張力を発揮しやすくなる つまり, より高い PImax を得るには適度な腹筋群の動員が必要であると考えられる しかし,PImax 増大に腹筋群がどのように関与しているかを検証した先行研究はない 呼吸筋の筋電図学的評価には, 針電極やワイヤ電極を用いた侵襲的な方法と表面電極を用いた非侵襲的な方法がある 一般に横隔膜など深層筋の選択的な評価には, 侵襲的な方法が利用される しかし, 近年, 横隔膜の筋活動評価を行った先行研究では表面筋電図を用いた研究が散見される 9,12-15) 磁気刺激による横隔膜の潜時計測にも表面筋電図が利用されており, その妥当性について示されている 12) そこで, 本研究では, 表面筋電図を用いて,PImax 測 定を繰り返した時の横隔膜と腹筋群の筋活動を記録し, PImax 増大による横隔膜と腹筋群の筋活動の変化を明らかにすることを目的とした II. 対象と方法 1. 対象健常男性 11 名 ( 平均年齢 21 ± 1 歳, 平均身長 1.73 ± 0.01 m, 平均体重 59.5 ± 5.8 kg) を対象とした 本研究は所属施設の倫理委員会の承認を得た後, すべての対象者に本研究の説明と同意を得た 2. 方法 PImax の測定は口腔内圧計 (CHEST,HI-80 を用いて20 回測定した 最大吸気努力は腹筋群の活動を生じさせないように機能的残気量位にて行い,2 ~3 秒保持させ, 試行間にはおよそ1 分間休憩させた 円筒形のマウスピースを用い直径 2 mmの穴により最大吸気努力時の声門閉鎖を防ぐようにした 最大呼気圧 (PEmax) は 3 回測定した 最大呼気努力は全肺気量位から行い, 最大呼気努力時の頬筋の利用を防ぐように行った PEmax, PImaxは最大吸気圧および呼気圧が少なくとも1 秒間維持できたものを採用した 横隔膜と腹筋群の筋活動評価には表面筋電図 (Delsys, Bagnoli-8 EMG system) と電極間距離 1 cm の能動電極を用いた 表面電極は, 右側の横隔膜, 腹直筋, 外腹斜筋, 内腹斜筋に貼付した 貼付部位はアルコールで拭き取り, 電極は粘着テープを使いしっかりと固定した 腹直筋の電極は臍上 1 cmで中央線より2 cm 外側とした 外腹斜筋は, 胸郭直下で最下肋骨縁と対側の恥骨結節を結んだ線に沿って貼付した 内腹斜筋の電極は上前腸骨棘の1 cm 内側で左右の上前腸骨棘を結んだ線よりも下に貼付した 16) 横隔膜の電極は右鎖骨中央線上の最下肋間に貼付し 9), このとき腹式深呼吸を行わせ筋電図波形が出現することを確認した アース電極は胸骨上とした 筋電図信号は市販のソフトウェア (Delsys,EMG Works) を用いて測定し, 吸気努力開始からの5 秒間の筋電図信号をパーソナルコンピューターに保存した 筋電計は吸気圧をトリガーにしてサンプリング間隔 100 ms の口腔内圧計と同期させた 口腔内圧計とマウスピースの間に吸気スイッチ ( 徳永装器研究所, 呼気スイッチ (2S)) を取り付け, 吸気開始に同期させて筋電図を記録した 筋電図に明らかな心電図波形の混入を認めなかったため, 筋電図信号はそのまま分析した

3 最大吸気圧測定の反復に伴う呼吸筋活動の変化 489 筋電図信号のサンプリング周波数は 1,000 Hz とし,20 Hz ~ 500 Hz のバンドパスフィルタを通過した後に100 ms 間隔で実効値を計算した PImax における各筋の実効値は, 最高吸気圧から0.5 秒間の平均値を求めた PEmax における腹筋群の実効値も, 最高呼気圧から0.5 秒間の平均値を計算した さらに, 安静時における各筋の実効値は任意の 1 秒間の平均値として計算した 最終的には,PImax およびPEmax における各筋の実効値は, 安静時の値を引いた値として求めた PImax における腹筋群の実効値については, 標準化するために PEmax 時の実効値に対する百分率 (%PEmaxEMG) を求めた 対象者はノーズクリップを装着して肘掛けつきの椅子に座り, 上肢は楽な姿勢を保たせた 電極を貼付し, 測定方法を十分に説明し数回の練習を行った後に, 安静時の筋電図を測定した 次に, 機能的残気量位から最大吸気努力を20 回行わせた 最後に, 最大呼気努力を 3 回行わせた すべての試行において背中は背もたれから離れないようにし, 姿勢を変えないように実施させた 2 ~3 秒間の最大吸気努力および最大呼気努力時には口頭により励ましながら行った PImax はWen らの研究 5) に準じて2 つの方法で計算した 5% 変動内で最初の最も高い3 回の平均値をshort PImax, すべての測定において 5% 変動内で最も高い 3 回の平均値をlong PImaxとして求めた また,short PImax, long PImaxに要した試行回数についても計算した PEmax は3 回の測定における最大値とした short PImax,long PImax,PEmax と各筋の実効値は平均値と標準偏差として表した short PImax 法とlong PImax 法の各測定値の比較には, 統計ソフトSPSS,14.0J を使い, 対応のあるt 検定を行った 有意水準は 5% 未満とし, それ未満を有意とした III. 結果 short PImax,long PImax,PEmax と各筋の実効値を表 1に示す short PImax とlong PImaxの比較では,long PImax が8% 増大し, 有意差を認めた long PImax とshort PImax が得られた平均試行回数は, それぞれ5 ± 2 回,15 ± 6 回であった short PImax 法とlong PImax 法の実効値を比較すると, 横隔膜は short PImax 法に比べ long PImax 法で 31% 増大し, 有意差を認めた 腹筋群では, 腹直筋と外腹斜筋の実効値がそれぞれ 41%,34% 増大し, 内腹斜筋の実効値は 4% 減少したが, ともに有意差を認めなかった しかし, 腹筋群の実効値の変動係数をみると, 外腹斜 表 1 PImax および PEmax における口腔内圧と横隔膜, 腹筋群の実効値 short PImax long PImax PEmax 口腔内圧 (cmh 2O) 107 ± ± 22* 148 ± 39 横隔膜 ( V) 26 ± ± 34* 腹直筋 ( V) 7.8 ± ± ± 23 外腹斜筋 ( V) 7.4 ± ± ± 13 内腹斜筋 ( V) 93 ± ± ± 161 値は平均値 ± 標準偏差 *:short PImax 法と long PImax 法の比較 (p<0.05) 表 2 short PImax 法における腹筋群の %PEmaxEMG および PImax と実効値の変化率 (%) %PEmaxEMG long/short 比 PImax 108 ± 6 横隔膜 164 ± 112 腹直筋 80 ± ± 135 外腹斜筋 35 ± ± 64 内腹斜筋 31 ± ± 311 値は平均値 ± 標準偏差 %PEmaxEMG:PEmax 時の実効値に対する百分率 long/short 比 :short PImax 法に対する long PImax 法の百分率 筋は91% から136% に増大したが, 腹直筋は120% から 101% に, 内腹斜筋は 112% から 71% に減少しており, 内腹斜筋の実効値のばらつきが最も減少していた 次に,short PImax 法における腹筋群の %PEmaxEMG を表 2に示す 腹直筋, 外腹斜筋, 内腹斜筋の %PEmaxEMG は, それぞれ 80%,35%,31% となり, 腹直筋については対象者の内 3 名が PEmax 時の実効値を越える値であった 一方, 内腹斜筋ではすべての対象者が PEmax 時の実効値を越えることはなかった さらに, 各測定値におけるshort PImax 法に対するlong PImax 法の百分率 (long /short 比 ) を対象者別に比較し てみると,1 名を除く10 名はlong PImaxが増大しており, そのうち 8 名は横隔膜の実効値も増大していた 変動係数が減少した腹直筋と内腹斜筋に着目してみると, long PImax 法で実効値が増大した対象者数 (long /short 比 >100%) はそれぞれ5 名,4 名であった これらの対象者の short PImax 法の %PEmaxEMG をみると, 他の対象者よりも低値であり, 内腹斜筋では 4 名すべてが 18 % 以下であった そこで, 腹筋群におけるshort PImax 法の %PEmaxEMG と long /short 比の関連をみるために pearson の相関係数を求めると, 内腹斜筋にのみ有意な

4 490 理学療法科学第 25 巻 4 号 負の相関を認めた (r = 0.65,p<0.05) IV. 考察本研究では, 表面筋電図を用いて PImax 増大による横隔膜と腹筋群の筋活動の変化について検証した Wen らの方法 5) に準じてPImax の測定を繰り返した結果, short PImaxに比べlong PImaxでは8% の増大が得られた これは11% 増大したとするWen らの報告 5) よりやや少ないが PImax は有意に増大し, これに伴い横隔膜の実効値も有意に増大した 腹筋群の実効値は有意な変化を認めなかったが, 内腹斜筋のみが short PImax 法の % PEmaxEMG とlong /short 比の間に有意な負の相関を認めた 横隔膜筋活動の選択的な記録には針電極やワイヤ電極が用いられるが, これは侵襲を伴うことに加え電極設置の困難さや気胸のリスクもある そのため, 近年は横隔膜に対して表面電極を利用した先行研究により, その有用性が示されている 12,13,15) 今回の結果は先行研究に準じて測定を行ったが, 表面電極には筋と電極間距離の変動や腹筋群や肋間筋からのクロストークの制御などの問題がある 本研究で実施した PImax の測定は, 気道閉塞させて行うため横隔膜の位置が変化しにくく同じ課題を比較していることから, 電極間距離の変動の影響は少ないと考えられる また, 先行研究で示された電極位置は外内肋間筋の影響が少ない位置とされている 腹筋群に対しては,PImax 時にも姿勢を変化させず, さらに PImax 時の実効値から安静時の値を減算することで, 姿勢保持および変化に伴う筋活動の影響を最小限にするようにした しかし,PImax 時には腹直筋や外腹斜筋の筋活動が認められ腹筋群からのクロストークは無視できない結果となった そのため, 横隔膜の実効値に対しては腹筋群のクロストークの影響を考慮した議論を進めなければならない 今回の結果では,PImax 増大に応じて横隔膜の実効値は有意に増大した 一方, クロストークの影響がある腹直筋, 外腹斜筋について実効値の平均は増大したが, 有意な変化ではなかった つまり, 横隔膜の実効値には腹筋群からのクロストークが含まれているかもしれないが, 実効値が有意に増大したのは横隔膜だけであったことから, 腹筋群からのクロストークを超える横隔膜の筋活動増大があったと考えることができるであろう Hawkes ら 9) はウォームアップ前後のPImax と吸気筋活動を測定した結果から,PImax 増大に伴う横隔膜の筋活動増大について報告しており, これは本研究 の結果と一致する この研究も表面筋電図を用いた研究であるが, 腹筋群の筋活動を測定していないため, 腹筋群からのクロストークについては議論されていない 一般に,PImax は吸気課題であることから, 呼気筋である腹筋群は動員されにくいと考えられている だが, 今回の結果において腹筋群の筋活動を認めたことから, 表面筋電図を用いた横隔膜活動の分析には, 腹筋群の筋活動を考慮した議論がなされるべきであろう 腹筋群の %PEmaxEMG は, 腹直筋の筋活動が最も大きい筋活動レベルとなった しかし, 他の腹筋群に比べ, 腹直筋は運動学的機能としての役割が大きい 息こらえ ( 最大 ) 時の腹筋群の筋活動に関する先行研究 17) では, 体幹屈曲の最大等尺性収縮を加えたときの筋活動に対して, 内腹斜筋と外腹斜筋の筋活動はそれぞれ 42%,37%, 腹直筋では4% に過ぎないことが示されている ゆえに, 今回の結果における腹直筋の % PEmaxEMG は高値を示したが, 最大随意収縮時に対する筋活動の割合は低く, 腹直筋の影響は小さいものと考えられる 逆に, 内腹斜筋の %PEmaxEMG は3 筋の中で最も低いが, 内腹斜筋が息こらえで最も動員されていることを考えると, 最大随意収縮時に対する筋活動の割合は腹直筋よりも大きくなる 腹筋群は, 肋間筋と同様に, 横隔膜の筋活動効率を高めるといわれている 1 肋間筋と腹筋群はともに横隔膜の拮抗筋として働き胸腹部形状を維持させる これにより肺などの呼吸器系の要素は保護され, 横隔膜はより大きな筋活動をさせることが可能になると考えられている 今回観察された腹筋群の筋活動は, これを支持する結果と考えられる PImax 増大に伴い腹筋群の実効値は有意に増大しなかったが, 腹直筋と内腹斜筋の変動係数は減少し, 特に内腹斜筋において顕著であった そして,short PImax 法における内腹斜筋の %PEmaxEMG を対象者別に比較すると,18% を境に, 低値の人は高値へ, 高値の人は低値へと筋活動を変化させていることがわかった 結果として, 内腹斜筋のみがshort PImax 法の %PEmaxEMG と long / short 比に有意な相関を認めた 先行研究では, 内腹斜筋は呼吸活動 18) や腹腔内圧 17,19) に深く関与し横隔膜と協調した活動を行うことに加え, 過剰な腹筋群の動員 ( 腹腔内圧の上昇 ) は吸気圧を低下させること 20) が示されている つまり, 内腹斜筋は横隔膜の筋活動効率を高めるよう適度な筋活動を発揮させることで,PImax 増大に寄与していると考えられる PImax 増大のメカニズムは, 従来, 学習効果として解釈されていたが, 現在は否定的である これはウォー

5 最大吸気圧測定の反復に伴う呼吸筋活動の変化 491 ムアップによる PImax 増大が, 反復測定による結果と差がないことから説明されている 6,8,9) そのため,PImax 増大のメカニズムとして末梢興奮性の増大 7), 活動中の吸気筋間の相乗作用 8,9) といった神経生理学的な効果が考えられている Hawkes ら 9) は, ウォームアップ後のPImaxにおける横隔膜と肋間筋の吸気活動を分析し, 吸気筋間における相乗作用について述べている しかし,PImax 増大と腹筋群の筋活動の関連を検証した先行研究はなく, 本研究が初めての報告といえるであろう そして,PImax 増大に伴い横隔膜の筋活動が増大し内腹斜筋の筋活動が制御されていた今回の結果は,PImax 増大のメカニズムとして横隔膜と内腹斜筋の相乗作用が関与することを示唆するものと考える 非侵襲的に測定できる PImax は, 吸気筋力の臨床評価指標として幅広く利用されている そして, 様々な効果を検証するためには, 高い信頼性が求められる しかし,long PImax の平均試行回数は15 回となり, 信頼性を高めるために試行回数を繰り返すことは対象者への負担も多く現実的ではない この点では吸気筋トレーニング器具を用いたウォームアップは, 信頼性を高める有効な手段と思われる ウォームアップでは40%PImax の吸気抵抗で30 回の呼吸が繰り返される これにより反復測定による PImax 増大と同程度の効果が得られることが示されている 8) 今回の研究では, ウォームアップによる効果は検証していないが, 吸気抵抗を加えると腹筋群が動員されることから 2, ウォームアップを行った場合においても腹筋群は横隔膜と協調した活動が促されているかもしれない 本研究の結果から, 反復測定による PImax 増大には横隔膜の筋活動増大だけでなく内腹斜筋の筋活動制御に関与している可能性が示唆された しかし, 横隔膜の筋活動に関しては, 表面筋電図を用いたことで腹筋群からのクロストークを考慮する必要があった 今回の研究では, 侵襲的な手段を用いて横隔膜活動の選択的な評価は行っていないため, クロストークの影響がどの程度であったかは明らかでない 今後は表面筋電図による横隔膜活動に対する腹筋群のクロストークの影響について検討を加える必要がある また, 今回は健常者を対象とした結果であるが, 呼吸障害患者に対して同様な変化が生じているかは検証できていない 慢性閉塞性肺疾患患者では反復測定による PImax の増大が報告 3) されており同様な変化が生じている可能性があるが, この点についても明らかにすべきであろう 引用文献 Black LF, Hyatt RE: Maximal respiratory pressures: normal values and relationship to age and sex. Am Rev Respir Dis, 1969, 99: ) American Thoracic Society/European Respiratory Society: ATS/ ERS Statement on respiratory muscle testing. Am J Respir Crit Care Med, 2002, 166: ) Fiz JA, Montserrat JM, Picado C, et al.: How many manoeuvres should be done to measure maximal inspiratory mouth pressure in patients with chronic airflow obstruction? Thorax, 1989, 44: ) Aldrich TK, Spiro P: Maximal inspiratory pressure: does reproducibility indicate full effort? Thorax, 1995, 50: ) Wen AS, Woo MS, Keens TG: How many maneuvers are required to measure maximal inspiratory pressure accurately. Chest, 1997, 111: ) Lomax M, McConnell AK: Influence of prior activity (warm-up) and inspiratory muscle training upon between- and within-day reliability of maximal inspiratory pressure measurement. Respiration, 2009, 78: ) Ross EZ, Nowicky AV, McConnell AK: Influence of acute inspiratory loading upon diaphragm motor-evoked potentials in healthy humans. J Appl Physiol, 2007, 102: ) Volianitis S, McConnell AK, Jones DA: Assessment of maximum inspiratory pressure. Prior submaximal respiratory muscle activity ( warm-up ) enhances maximum inspiratory activity and attenuates the learning effect of repeated measurement. Respiration, 2001, 68: ) Hawkes EZ, Nowicky AV, McConnell: Diaphragm and intercostal surface EMG and muscle performance after acute inspiratory muscle loading. Respir Physiol Neurobiol, 2007, 155: ) Nava S, Ambrosino N, Crotti P, et al.: Recruitment of some respiratory muscles during three maximal inspiratory manoeuvres. Thorax, 1993, 48: Hershenson MB, Kikuchi Y, Loring SH: Relative strengths of the chest wall muscles. J Appl Physiol, 1988, 65: ) Demoule A, Verin E, Locher C, et al.: Validation of surface recordings of the diaphragm response to transcranial magnetic stimulation in humans. J Appl Physiol, 2003, 94: ) Duiverman ML, van Eykern LA, Vennik PW, et al.: Reproducibility and responsiveness of a noninvasive EMG technique of the respiratory muscles in COPD patients and in healthy subjects. J Appl Physiol, 2003, 96: ) de Andrade AD, Silva TN, Vasconcelos H, Vasconcelos H, et al.: Inspiratory muscular activation during threshold therapy in elderly healthy and patients with COPD. J Electromyogr Kinesiol, 2005, 15: ) Verin E, Straus C, Demoule A, Demoule A, et al.: Validation of improved recording site to measure phrenic conduction from surface electrodes in humans. J Appl Physiol, 2002, 92: ) Ng JK, Kippers V, Richardson CA: Muscle fibre orientation of abdominal muscles and suggested surface EMG electrode posi-

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